無線感測器網路(Wireless Sensor Network)

無線感測器網路(Wireless Sensor Networks, WSN)是一種分散式感測網路，它的末梢是可以感知和檢查外部世界的感測器。WSN中的感測器通過無線方式通信，因此網路設定靈活，設備位置可以隨時更改，還可以跟網際網路進行有線或無線方式的連線。通過無線通信方式形成的一個多跳自組織網路。

WSN的發展得益於微機電系統(Micro-Electro-Mechanism System, MEMS)、片上系統(System on Chip, SoC)、無線通信和低功耗嵌入式技術的飛速發展。

WSN廣泛套用于軍事、智慧型交通、環境監控、醫療衛生等多個領域。

簡介

介紹

感測器網路實現了數據的採集、處理和傳輸三種功能。它與通信技術和計算機技術共同構成信息技術的三大支柱。

無線感測器網路（Wireless Sensor Network, WSN）是由大量的靜止或移動的感測器以自組織和多跳的方式構成的無線網路，以協作地感知、採集、處理和傳輸網路覆蓋地理區域內被感知對象的信息，並最終把這些信息傳送給網路的所有者。

無線感測器網路所具有的眾多類型的感測器，可探測包括地震、電磁、溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力、土壤成分、移動物體的大小、速度和方向等周邊環境中多種多樣的現象。潛在的套用領域可以歸納為: 軍事、航空、防爆、救災、環境、醫療、保健、家居、工業、商業等領域。

定義

WSN是wireless sensor network的簡稱，即無線感測器網路。 　
無線感測器網路就是由部署在監測區域內大量的廉價微型感測器節點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網路系統，其目的是協作地感知、採集和處理網路覆蓋區域中被感知對象的信息，並傳送給觀察者。感測器、感知對象和觀察者構成了無線感測器網路的三個要素。

微機電系統（Micro-Electro-Mechanism System，MEMS）、片上系統（SOC，System on Chip）、無線通信和低功耗嵌入式技術的飛速發展，孕育出無線感測器網路（Wireless Sensor Networks，WSN），並以其低功耗、低成本、分散式和自組織的特點帶來了信息感知的一場變革。無線感測器網路就是由部署在監測區域內大量的廉價微型感測器節點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳自組織網路。 　
很多人都認為，這項技術的重要性可與網際網路相媲美：正如網際網路使得計算機能夠訪問各種數字信息而可以不管其保存在什麼地方，感測器網路將能擴展人們與現實世界進行遠程互動的能力。它甚至被人稱為一種全新類型的計算機系統，這就是因為它區別於過去硬體的可到處散布的特點以及集體分析能力。然而從很多方面來說，現在的無線感測器網路就如同遠在1970年的網際網路，那時網際網路僅僅連線了不到200所大學和軍事實驗室，並且研究者還在試驗各種通訊協定和定址方案。而現在，大多數感測器網路只連線了不到100個節點，更多的節點以及通訊線路會使其變得十分複雜難纏而無法正常工作。另外一個原因是單個感測器節點的價格目前還並不低廉，而且電池壽命在最好的情況下也只能維持幾個月。不過這些問題並不是不可逾越的，一些無線感測器網路的產品已經上市，並且具備引人入勝的功能的新產品也會在幾年之內出現。 　
無線感測器網路所具有的眾多類型的感測器，可探測包括地震、電磁、溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力、土壤成分、移動物體的大小、速度和方向等周邊環境中多種多樣的現象。基於MEMS的微感測技術和無線聯網技術為無線感測器網路賦予了廣闊的套用前景。這些潛在的套用領域可以歸納為:軍事、航空、反恐、防爆、救災、環境、醫療、保健、家居、工業、商業等領域。

新型的無線感測器網路

目前大部分已部署的WSN，都僅限於採集溫度、濕度、位置、光強、壓力、生化等標量數據，而在醫療監護、交通監控、智慧型家居等實際套用中，我們需要獲取視頻、音頻、圖像等多媒體信息，這就迫切需要一種新的無線感測器網路——無線多媒體感測器網路。無線多媒體感測器網路（WMSN，Wireless Multimedia Sensor Networks）是在傳統WSN的基礎上引入視頻、音頻、圖像等多媒體信息感知功能的新型感測器網路。

無線多媒體感測器網路是在無線感測器網路中加入了一些能夠採集更加豐富的視頻、音頻、圖像等信息的感測器節點，由這些不同的節點組成了具有存儲計算和通信能力的分散式感測器網路。WMSN通過多媒體感測器節點感知周圍環境中的多種媒體信息，這些信息可以通過單跳和多跳中繼的方式傳送到匯聚節點，然後匯聚節點對接收到的數據進行分析處理，最終把分析處理後的結果傳送給用戶，從而實現了全面而有效的環境監測。

與傳統的WSN相比，WMSN有如下特點，參見表6。

表6 WSN與WMSN對比

比較		傳統的WSN	WMSN
相同點		自組織、資源受限、監控環境複雜、無人值守等
不同點	能耗分布	能耗低，主要集中在無線收發上	能耗較高，在多媒體信息採集、處理，無線收發上能耗相當
	處理任務	較簡單，簡單的加減乘除平均數據等	除了採集標量數據外，還要採集圖像、音頻、視頻等多媒體信息
	QoS要求	要求較低，犧牲QoS換取能耗最低	QoS基於業務套用有所區別，多媒體信息需要高QoS
	功能套用	功能簡單，感知信息量優先，用於簡單的環境監測等場合	感知信息豐富，實現細粒度、高精準的監控，除了增強一般場合的監控，可以完成追蹤、識別等複雜任務
	感測模型	全向性，可以從任意方向感知數據	一般具有很強的方向性
	核心問題	能耗最低	滿足QoS情況下，追求能耗最低

WMSN集成和拓展了傳統WSN的套用場合，廣泛用於安全監控、智慧型交通、智慧型家居、環境監測等需要多媒體信息的場合。

l 安全監控：在重要的公共場所，可以利用多個視頻感測器節點通過無線方式組成分散式監控網路，完成監控區域內的視頻信號採集和監視。

l 智慧型交通：分散式布置的WSMN可以在城市內的交通樞紐、主幹道的交通信息實施監控，統計出交通的熱點信息。

l 智慧型家居：例如WSMN可以用於對幼稚園中兒童的教育環境進行檢測，對兒童的活動進行跟蹤，以便家長全面地了解兒童的學習生活。

l 環境監控：例如WSMN用於礦井安全監控時，可以通過聲音和視頻實時了解井下礦道的動態，提前對安全問題做出預警。

發展歷史

中國物聯網校企聯盟認為，感測器網路的發展歷程分為以下三個階段：感測器→無線感測器→無線感測器網路（大量微型、低成本、低功耗的感測器節點組成的多跳無線網路）

第一階段:最早可以追溯至越戰時期使用的傳統的感測器系統。當年美越雙方在密林覆蓋的“胡志明小道”進行了一場血腥較量，“胡志明小道”是胡志明部隊向南方游擊隊輸送物資的秘密通道，美軍對其進行了狂轟濫炸，但效果不大。後來，美軍投放了2萬多個“熱帶樹”感測器。“熱帶樹”實際上是由震動和聲響感測器組成的系統，它由飛機投放，落地後插入泥土中，只露出偽裝成樹枝的無線電天線，因而被稱為“熱帶樹”。只要對方車隊經過，感測器探測出目標產生的震動和聲響信息，自動傳送到指揮中心，美機立即展開追殺，總共炸毀或炸壞4.6萬輛卡車。
第二階段:二十世紀80年代至90年代之間。主要是美軍研製的分散式感測器網路系統、海軍協同交戰能力系統、遠程戰場感測器系統等。這種現代微型化的感測器具備感知能力、計算能力和通信能力。 因此在1999年，商業周刊將感測器網路列為21世紀最具影響的21項技術之一 。

第三階段:21世紀開始至今，也就是9·11事件之後。這個階段的感測器網路技術特點在於網路傳輸自組織、節點設計低功耗。除了套用於反恐活動以外，在其它領域更是獲得了很好的套用，所以2002年美國國家重點實驗室－－橡樹嶺實驗室提出了“網路就是感測器”的論斷。

由於無線感測網在國際上被認為是繼網際網路之後的第二大網路，2003年美國《技術評論》雜誌評出對人類未來生活產生深遠影響的十大新興技術，感測器網路被列為第一 。

在現代意義上的無線感測網研究及其套用方面，我國與已開發國家幾乎同步啟動，它已經成為我國信息領域位居世界前列的少數方向之一。在2006年我國發布的《國家中長期科學與技術發展規劃綱要》中，為信息技術確定了三個前沿方向，其中有兩項就與感測器網路直接相關，這就是智慧型感知和自組網技術。當然，感測器網路的發展也是符合計算設備的演化規律。

特點

大規模

為了獲取精確信息，在監測區域通常部署大量感測器節點，可能達到成千上萬，甚至更多。感測器網路的大規模性包括兩方面的含義：一方面是感測器節點分布在很大的地理區域內，如在原始大森林採用感測器網路進行森林防火和環境監測，需要部署大量的感測器節點；另一方面，感測器節點部署很密集，在面積較小的空間內，密集部署了大量的感測器節點。

感測器網路的大規模性具有如下優點：通過不同空間視角獲得的信息具有更大的信價比；通過分散式處理大量的採集信息能夠提高監測的精確度，降低對單個節點感測器的精度要求；大量冗餘節點的存在，使得系統具有很強的容錯性能；大量節點能夠增大覆蓋的監測區域，減少洞穴或者盲區。

自組織

在感測器網路套用中，通常情況下感測器節點被放置在沒有基礎結構的地方，感測器節點的位置不能預先精確設定，節點之間的相互鄰居關係預先也不知道，如通過飛機播撒大量感測器節點到面積廣闊的原始森林中，或隨意放置到人不可到達或危險的區域。這樣就要求感測器節點具有自組織的能力，能夠自動進行配置和管理，通過拓撲控制機制和網路協定自動形成轉發監測數據的多跳無線網路系統。

在感測器網路使用過程中，部分感測器節點由於能量耗盡或環境因素造成失效，也有一些節點為了彌補失效節點、增加監測精度而補充到網路中，這樣在感測器網路中的節點個數就動態地增加或減少，從而使網路的拓撲結構隨之動態地變化。感測器網路的自組織性要能夠適應這種網路拓撲結構的動態變化。

動態性

感測器網路的拓撲結構可能因為下列因素而改變：①環境因素或電能耗盡造成的感測器節點故障或失效；②環境條件變化可能造成無線通信鏈路頻寬變化，甚至時斷時通；③感測器網路的感測器、感知對象和觀察者這三要素都可能具有移動性；④新節點的加入。這就要求感測器網路系統要能夠適應這種變化，具有動態的系統可重構性。

可靠性

WSN特別適合部署在惡劣環境或人類不宜到達的區域，節點可能工作在露天環境中，遭受日曬、風吹、雨淋，甚至遭到人或動物的破壞。感測器節點往往採用隨機部署，如通過飛機撒播或發射炮彈到指定區域進行部署。這些都要求感測器節點非常堅固，不易損壞，適應各種惡劣環境條件。

由於監測區域環境的限制以及感測器節點數目巨大，不可能人工“照顧”每個感測器節點，網路的維護十分困難甚至不可維護。感測器網路的通信保密性和安全性也十分重要，要防止監測數據被盜取和獲取偽造的監測信息。因此，感測器網路的軟硬體必須具有魯棒性和容錯性。

以數據為中心

網際網路是先有計算機終端系統，然後再互聯成為網路，終端系統可以脫離網路獨立存在。在網際網路中，網路設備用網路中惟一的IP位址標識，資源定位和信息傳輸依賴於終端、路由器、伺服器等網路設備的IP位址。如果想訪問網際網路中的資源，首先要知道存放資源的伺服器IP位址。可以說現有的網際網路是一個以地址為中心的網路。

感測器網路是任務型的網路，脫離感測器網路談論感測器節點沒有任何意義。感測器網路中的節點採用節點編號標識，節點編號是否需要全網惟一取決於網路通信協定的設計。由於感測器節點隨機部署，構成的感測器網路與節點編號之間的關係是完全動態的，表現為節點編號與節點位置沒有必然聯繫。用戶使用感測器網路查詢事件時，直接將所關心的事件通告給網路，而不是通告給某個確定編號的節點。網路在獲得指定事件的信息後匯報給用戶。這種以數據本身作為查詢或傳輸線索的思想更接近於自然語言交流的習慣。所以通常說感測器網路是一個以數據為中心的網路。

例如，在套用於目標跟蹤的感測器網路中，跟蹤目標可能出現在任何地方，對目標感興趣的用戶只關心目標出現的位置和時間，並不關心哪個節點監測到目標。事實上，在目標移動的過程中，必然是由不同的節點提供目標的位置訊息。

集成化

感測器節點的功耗低，體積小，價格便宜，實現了集成化。其中，微機電系統技術的快速發展為無線感測器網路接點實現上述功能提供了相應的技術條件，在未來，類似“灰塵”的感測器節點也將會被研發出來。

具有密集的節點布置

在安置感測器節點的監測區域內，布置有數量龐大的感測器節點。通過這種布置方式可以對空間抽樣信息或者多維信息進行捕獲，通過相應的分散式處理，即可實現高精度的目標檢測和識別。另外，也可以降低單個感測器的精度要求。密集布設節點之後，將會存在大多的冗餘節點，這一特性能夠提高系統的容錯性能，對單個感測器的要求得到了大大降低。最後，適當將其中的某些節點進行休眠調整，還可以延長網路的使用壽命。

協作方式執行任務

這種方式通常包括協作式採集、處理、存儲以及傳輸信息。通過協作的方式，感測器的節點可以共同實現對對象的感知，得到完整的信息。這種方式可以有效克服處理和存儲能力不足的缺點，共同完成複雜任務的執行。在協作方式下，感測器之間的節點實現遠距離通信，可以通過多跳中繼轉發，也可以通過多節點協作發射的方式進行.

自組織方式

之所以採用這種工作方式，是由無線感測器自身的特點決定的。由於事先無法確定無線感測器節點的位置，也不能明確它與周圍節點的位置關係，同時，有的節點在工作中有可能會因為能量不足而失去效用，則另外的節點將會補充進來彌補這些失效的節點，還有一些節點被調整為休眠狀態，這些因素共同決定了網路拓撲的動態性。這種自組織工作方式主要包括：自組織通信，自調度網路功能以及自管理網路等。

無線感測器

無線感測器網路中，節點的喚醒方式有以下幾種：
（1）全喚醒模式：這種模式下，無線感測器網路中的所有節點同時喚醒，探測並跟蹤網路中出現的目標，雖然這種模式下可以得到較高的跟蹤精度，然而是以網路能量的消耗巨大為代價的。
（2）隨機喚醒模式：這種模式下，無線感測器網路中的節點由給定的喚醒機率p隨機喚醒。
（3）由預測機制選擇喚醒模式：這種模式下，無線感測器網路中的節點根據跟蹤任務的需要，選擇性的喚醒對跟蹤精度收益較大的節點，通過本拍的信息預測目標下一時刻的狀態，並喚醒節點。
（4）任務循環喚醒模式：這種模式下，無線感測器網路中的節點周期性的出於喚醒狀態，這種工作模式的節點可以與其他工作模式的節點共存，並協助其他工作模式的節點工作。
其中由預測機制選擇喚醒模式可以獲得較低的能耗損耗和較高的信息收益。

功能

WSN並不界定網路型態，也就是可以是star、mesh、P2P或綜合以上型態的網路，但都一定具備下列的功能：
1. Sensors/microcontroller：偵測、蒐集以及處理環境中的資料，例如偵測溫度、濕度等等。
2. Radio frequency：節點或gateway用以收發資料。
3. Software：包含在節點端的嵌入式系統以及使用者端的管理程式，軟體確保資料感測的功能進行順利以及提供容易閱讀的介面。

套用相關

感測器網路用來感知客觀物理世界，獲取物理世界的信息量。客觀世界的物理量多種多樣，不可窮盡。不同的感測器網路套用關心不同的物理量，因此對感測器的套用系統也有多種多樣的要求。

無線感測器網路

不同的套用對感測器網路的要求不同，其硬體平台、軟體系統和網路協定必然會有很大差別。所以感測器網路不能像網際網路一樣，有統一的通信協定平台。對於不同的感測器網路套用雖然存在一些共性問題，但在開發感測器網路套用中，更關心感測器網路的差異。只有讓系統更貼近套用，才能做出最高效的目標系統。針對每一個具體套用來研究感測器網路技術，這是感測器網路設計不同於傳統網路的顯著特徵。

無線感測網路有著許多不同的套用。在工業界和商業界中，它用於監測數據，而如果使用有線感測器，則成本較高且實現起來困難。無線感測器可以長期放置在荒蕪的地區，用於監測環境變數，而不需要將他們重新充電再放回去。

無線感測網路的套用包括視頻監視，交通監視，航空交通控制，機器人學,汽車，家居健康監測和工業自動化。在環境監控中一個典型的套用就是感測網（Sensor Web，或SW）。感測器網路可以用來監視有效利用電力，如日本的例子。

結構

感測器網路系統通常包括感測器節點EndDevice、匯聚節點Router和管理節點Coordinator。

大量感測器節點隨機部署在監測區域內部或附近，能夠通過自組織方式構成網路。感測器節點監測的數據沿著其他感測器節點逐跳地進行傳輸，在傳輸過程中監測數據可能被多個節點處理，經過多跳後路由到匯聚節點，最後通過網際網路或衛星到達管理節點。用戶通過管理節點對感測器網路進行配置和管理，發布監測任務以及收集監測數據。

感測器節點

處理能力、存儲能力和通信能力相對較弱，通過小容量電池供電。從網路功能上看，每個感測器節點除了進行本地信息收集和數據處理外，還要對其他節點轉發來的數據進行存儲、管理和融合，並與其他節點協作完成一些特定任務。

匯聚節點

匯聚節點的處理能力、存儲能力和通信能力相對較強，它是連線感測器網路與Internet 等外部網路的網關，實現兩種協定間的轉換，同時向感測器節點發布來自管理節點的監測任務，並把WSN收集到的數據轉發到外部網路上。匯聚節點既可以是一個具有增強功能的感測器節點，有足夠的能量供給和更多的、Flash和SRAM中的所有信息傳輸到計算機中，通過彙編軟體，可很方便地把獲取的信息轉換成彙編檔案格式，從而分析出感測節點所存儲的程式代碼、路由協定及密鑰等機密信息，同時還可以修改程式代碼，並載入到感測節點中。

管理節點

管理節點用於動態地管理整個無線感測器網路。感測器網路的所有者通過管理節點訪問無線感測器網路的資源。

無線感測器測距

在無線感測器網路中，常用的測量節點間距離的方法主要有TOA（Time of Arrival），TDOA（Time Difference of Arrival）、超音波、RSSI（Received Sig nalStrength Indicator）和TOF（Time of Light）等。

信息安全

很顯然，現有的感測節點具有很大的安全漏洞，攻擊者通過此漏洞，可方便地獲取感測節點中的機密信息、修改感測節點中的程式代碼，如使得感測節點具有多個身份ID，從而以多個身份在感測器網路中進行通信，另外，攻擊還可以通過獲取存儲在感測節點中的密鑰、代碼等信息進行，從而偽造或偽裝成合法節點加入到感測網路中。一旦控制了感測器網路中的一部分節點後，攻擊者就可以發動很多種攻擊，如監聽感測器網路中傳輸的信息，向感測器網路中發布假的路由信息或傳送假的感測信息、進行拒絕服務攻擊等。

對策：由於感測節點容易被物理操縱是感測器網路不可迴避的安全問題，必須通過其它的技術方案來提高感測器網路的安全性能。如在通信前進行節點與節點的身份認證;設計新的密鑰協商方案，使得即使有一小部分節點被操縱後，攻擊者也不能或很難從獲取的節點信息推導出其它節點的密鑰信息等。另外，還可以通過對感測節點軟體的合法性進行認證等措施來提高節點本身的安全性能。

根據無線傳播和網路部署特點，攻擊者很容易通過節點間的傳輸而獲得敏感或者私有的信息，如：在使用WSN監控室內溫度和燈光的場景中，部署在室外的無線接收器可以獲取室內感測器傳送過來的溫度和燈光信息;同樣攻擊者通過監聽室內和室外節點間信息的傳輸，也可以獲知室內信息，從而非法獲取出房屋主人的生活習慣等私密信息。

對策：對傳輸信息加密可以解決竊聽問題，但需要一個靈活、強健的密鑰交換和管理方案，密鑰管理方案必須容易部署而且適合感測節點資源有限的特點，另外，密鑰管理方案還必須保證當部分節點被操縱後（這樣，攻擊者就可以獲取存儲在這個節點中的生成會話密鑰的信息），不會破壞整個網路的安全性。由於感測節點的記憶體資源有限，使得在感測器網路中實現大多數節點間端到端安全不切實際。然而在感測器網路中可以實現跳-跳之間的信息的加密，這樣感測節點只要與鄰居節點共享密鑰就可以了。在這種情況下，即使攻擊者捕獲了一個通信節點，也只是影響相鄰節點間的安全。但當攻擊者通過操縱節點傳送虛假路由訊息，就會影響整個網路的路由拓撲。解決這種問題的辦法是具有魯棒性的路由協定，另外一種方法是多路徑路由，通過多個路徑傳輸部分信息，並在目的地進行重組。

感測器網路是用於收集信息作為主要目的的，攻擊者可以通過竊聽、加入偽造的非法節點等方式獲取這些敏感信息，如果攻擊者知道怎樣從多路信息中獲取有限信息的相關算法，那么攻擊者就可以通過大量獲取的信息導出有效信息。一般感測器中的私有性問題，並不是通過感測器網路去獲取不大可能收集到的信息，而是攻擊者通過遠程監聽WSN，從而獲得大量的信息，並根據特定算法分析出其中的私有性問題。因此攻擊者並不需要物理接觸感測節點，是一種低風險、匿名的獲得私有信息方式。遠程監聽還可以使單個攻擊者同時獲取多個節點的傳輸的信息。

對策：保證網路中的感測信息只有可信實體才可以訪問是保證私有性問題的最好方法，這可通過數據加密和訪問控制來實現;另外一種方法是限制網路所傳送信息的粒度，因為信息越詳細，越有可能泄露私有性，比如，一個簇節點可以通過對從相鄰節點接收到的大量信息進行匯集處理，並只傳送處理結果，從而達到數據匿名化。

拒絕服務攻擊（DoS）

DoS攻擊主要用於破壞網路的可用性，減少、降低執行網路或系統執行某一期望功能能力的任何事件。如試圖中斷、顛覆或毀壞感測網路，另外還包括硬體失敗、軟體bug、資源耗盡、環境條件等[4]。這裡我們主要考慮協定和設計層面的漏洞。確定一個錯誤或一系列錯誤是否是有意DOS攻擊造成的，是很困難的，特別是在大規模的網路中，因為此時感測網路本身就具有比較高的單個節點失效率。

DoS攻擊可以發生在物理層，如信道阻塞，這可能包括在網路中惡意干擾網路中協定的傳送或者物理損害感測節點。攻擊者還可以發起快速消耗感測節點能量的攻擊，比如，向目標節點連續傳送大量無用信息，目標節點就會消耗能量處理這些信息，並把這些信息傳送給其它節點。如果攻擊者捕獲了感測節點，那么他還可以偽造或偽裝成合法節點發起這些DOS攻擊，比如，它可以產生循環路由，從而耗盡這個循環中節點的能量。防禦DOS攻擊的方法沒有一個固定的方法，它隨著攻擊者攻擊方法的不同而不同。一些跳頻和擴頻技術可以用來減輕網路堵塞問題。恰當的認證可以防止在網路中插入無用信息，然而，這些協定必須十分有效，否則它也會被用來當作DOS攻擊的手段。比如，使用基於非對稱密碼機制的數字簽名可以用來進行信息認證，但是創建和驗證簽名是一個計算速度慢、能量消耗大的計算，攻擊者可以在網路中引入大量的這種信息，就會有效地實施DoS攻擊。

網路協定棧

WSN協定棧多採用五層協定：套用層、傳輸層、網路層、數據鏈路層、物理層。與乙太網協定棧的五層協定相對應。另外，協定棧還應包括能量管理器、拓撲管理器和任務管理器。這些管理器使得感測器節點能夠按照能源高效的方式協同工作，在節點移動的感測器網路中轉發數據，並支持多任務和資源共享。各層協定和管理器的功能如下：

·物理層提供簡單但健壯的信號調製和無線收發技術；

·數據鏈路層負責數據成幀、幀檢測、媒體訪問和差錯控制；

·網路層主要負責路由生成與路由選擇；

·傳輸層負責數據流的傳輸控制，是保證通信服務質量的重要部分；

·套用層包括一系列基於監測任務的套用層軟體；

·能量管理器管理感測器節點如何使用能源，在各個協定層都需要考慮節省能量；

·移動管理器檢測並註冊感測器節點的移動，維護到匯聚節點的路由，使得感測器節點能夠動態跟蹤其鄰居的位置；

·任務管理器在一個給定的區域內平衡和調度監測任務。

經過十幾年發展，已出現了大量的WSN協定，如MAC層的S-MAC、T-MAC、BMAC、XMAC、ContikiMAC等，路由層的AODV、LEACH、DYMO、HiLOW、GPSR等。不過這些均屬於私有的協定，均針對特定的套用場景進行最佳化，適用範圍較窄，由於缺乏標準，推廣十分困難，對產業化十分不利。面對這種情況，國際標準化組織參與到無線感測器網路的標準制定中來，希望通過共同努力，制定出適用於多行業的、低功耗的、短距離無線自組網協定。

WSN相關的標準有：

①IEEE 802.15.4, 屬於物理層和MAC層標準，由於IEEE組織在無線領域的影響力，以及TI, ST, Ember, Freescale, NXP等著名晶片廠商的推動，已成為WSN的事實標準。

②Zigbee, 該標準在IEEE 802.15.4之上，重點制定網路層、安全層、套用層的標準規範，先後推出了Zigbee 2004, Zigbee 2006, Zigbee 2007/ Zigbee PRO等版本。此外，Zigbee聯盟還制定了針對具體行業套用的規範，如智慧型家居、智慧型電網、消費類電子等領域，旨在實現統一的標準，使得不同廠家生產的設備相互之間能夠通信。值得說明的是，Zigbee在新版本的智慧型電網標準SEP 2.0已經採用新的基於IPv6的6Lowpan規範，隨著智慧型電網的建設，Zigbee將逐漸被IPv6/6Lowpan標準所取代。與zigbee類似的標準還有z-wave、ANT、Enocean等，相互之間不兼容，不利於產業化的發展。

③ISA100.11a, 國際自動化協會ISA下屬的工業無線委員會ISA100發起的工業無線標準。

④WirelessHART, 國際上幾個著名的工業控制廠商共同發起的，致力於將HART儀表無線化的工業無線標準。

⑤WIA-PA, 中國科學院瀋陽自動化所參與制定的工業無線國際標準。

此外，網際網路標準化組織IETF也看到了無線感測器網路(或者物聯網)的廣泛套用前景，也加入到相應的標準化制定中。以前許多標準化組織認為IP技術過於複雜，不適合低功耗、資源受限的WSN，因此都是採用非IP技術。在實際套用中，如Zigbee需要接入網際網路時需要複雜的套用層網關，也不能實現端到端的數據傳輸和控制。IETF和許多研究者發現了存在的這些問題，尤其是Cisco的工程師基於開源的uIP協定實現了輕量級的IPv6協定，證明了IPv6不僅可以運行在低功耗資源受限的設備上，而且，比zigbee更加簡單，徹底改變了大家的偏見，之後基於IPv6的無線感測器網路技術得到了迅速發展。 IETF已經完成了核心的標準規範，包括IPv6數據報文和幀頭壓縮規範 6Lowpan、 面向低功耗、低速率、鏈路動態變化的無線網路路由協定 RPL、以及面向無線感測器網路套用的套用層標準CoAP，相關的標準規範已經發布。IETF已組織成立了IPSO聯盟，推動該標準的套用，並發布了一系列白皮書。 IPv6/6Lowpan已經成為許多其它標準的核心，包括智慧型電網 zigbee SEP2.0、工業控制標準ISA100.11a、有源RFID ISO1800-7.4（DASH） 等。IPv6/6Lowpan具有諸多優勢： 可以運行在多種介質上，如低功耗無線、電力線載波、WiFi和乙太網，有利於實現統一通信；IPv6可以實現端到端的通信，無需網關，降低成本；6Lowpan中採用RPL路由協定，路由器可以休眠，也可以採用電池供電，套用範圍廣，而Zigbee技術路由器不能休眠，套用領域受到限制。6Lowpan已經有了大量開源軟體實現，最著名的是Contiki、TinyOS系統，已經實現完整的協定棧，全部開源，完全免費，已經在許多產品中得到套用。IPv6/6Lowpan協定將隨著無線感測器網路以及物聯網的廣泛套用，很可能成為該領域的事實標準。

安全需求

由於WSN使用無線通信，其通信鏈路不像有線網路一樣可以做到私密可控。所以在設計感測器網路時，更要充分考慮信息安全問題。手機SIM卡等智慧卡，利用公鑰基礎設施(Public Key Infrastructure, PKI)機制，基本滿足了電信等行業對信息安全的需求。同樣，亦可使用PKI來滿足WSN在信息安全方面的需求。

(1) 數據機密性

數據機密性是重要的網路安全需求，要求所有敏感信息在存儲和傳輸過程中都要保證其機密性，不得向任何非授權用戶泄露信息的內容。

(2)數據完整性

有了機密性保證，攻擊者可能無法獲取信息的真實內容，但接收者並不能保證其收到的數據是正確的，因為惡意的中間節點可以截獲、篡改和干擾信息的傳輸過程。通過數據完整性鑑別，可以確保數據傳輸過程中沒有任何改變。

(3) 數據新鮮性

數據新鮮性問題是強調每次接收的數據都是傳送方最新傳送的數據，以此杜絕接收重複的信息。保證數據新鮮性的主要目的是防止重放(Replay)攻擊。

(4) 可用性

可用性要求感測器網路能夠隨時按預先設定的工作方式向系統的合法用戶提供信息訪問服務，但攻擊者可以通過偽造和信號干擾等方式使感測器網路處於部分或全部癱瘓狀態，破壞系統的可用性，如拒絕服務(Denial of Service, DoS)攻擊。

(5)魯棒性

無線感測器網路具有很強的動態性和不確定性，包括網路拓撲的變化、節點的消失或加入、面臨各種威脅等，因此，無線感測器網路對各種安全攻擊應具有較強的適應性，即使某次攻擊行為得逞，該性能也能保障其影響最小化。

(6)訪問控制

訪問控制要求能夠對訪問無線感測器網路的用戶身份進行確認，確保其合法性。

套用範圍

由於技術等方面的制約，WSN的大規模商用還有待時日。但隨著微處理器體積的縮小和性能的提升，已經有中小規模的WSN在工業市場上開始投入商用。其套用主要集中在以下領域：

環境監測

隨著人們對於環境問題的關注程度越來越高，需要採集的環境數據也越來越多，無線感測器網路的出現為隨機性的研究數據獲取提供了便利，並且還可以避免傳統數據收集方式給環境帶來的侵入式破壞。比如，英特爾研究實驗室研究人員曾經將32個小型感測器連進網際網路，以讀出緬因州"大鴨島"上的氣候，用來評價一種海燕巢的條件。無線感測器網路還可以跟蹤候鳥和昆蟲的遷移，研究環境變化對農作物的影響，監測海洋、大氣和土壤的成分等。此外，它也可以套用在精細農業中，來監測農作物中的害蟲、土壤的酸鹼度和施肥狀況等。

醫療護理

羅徹斯特大學的科學家使用無線感測器創建了一個智慧型醫療房間，使用微塵來測量居住者的重要徵兆(血壓、脈搏和呼吸)、睡覺姿勢以及每天24小時的活動狀況。英特爾也推出了基於WSN的家庭護理技術。該技術是做為探討應對老齡化社會的技術項目Center for Aging Services Technologies(CAST)的一個環節開發的。該系統通過在鞋、家具以家用電器等家中道具和設備中嵌入半導體感測器，幫助老齡人士、阿爾茨海默氏病患者以及殘障人士的家庭生活。利用無線通信將各感測器聯網可高效傳遞必要的信息從而方便接受護理。而且還可以減輕護理人員的負擔。英特爾主管預防性健康保險研究的董事Eric Dishman稱，"在開發家庭用護理技術方面，無線感測器網路是非常有前途的領域"。

軍事領域

由於無線感測器網路具有密集型、隨機分布的特點，使其非常適合套用於惡劣的戰場環境中，使其非常適合套用於惡劣的戰場環境中，包括偵察敵情、監控兵力、裝備和物資，判斷生物化學攻擊等多方面用途。美國國防部遠景計畫研究局已投資幾千萬美元，幫助大學進行"智慧型塵埃"感測器技術的研發。哈伯研究公司總裁阿爾門丁格預測：智慧型塵埃式感測器及有關的技術銷售將從2004年的1000萬美元增加到2010年的幾十億美元。

目標跟蹤

DARPA支持的Sensor IT項目探索如何將WSN技術套用于軍事領域，實現所謂“超視距”戰場監測。UCB的教授主持的Sensor Web是Sensor IT的一個子項目。原理性地驗證了套用WSN進行戰場目標跟蹤的技術可行性，翼下攜帶WSN節點的無人機(UAV)飛到目標區域後拋下節點，最終隨機布撤落在被監測區域，利用安裝在節點上的地震波感測器可以探測到外部日標，如坦克、裝甲車等，並根據信號的強弱估算距離，綜合多個節點的觀測數據，最終定位目標，並繪製出其移動的軌跡。雖然該演示系統在精度等方面還遠達不到裝備部隊用於實戰的要求，這種戰場偵察模式尚未套用於實戰，但隨著美國國防部將其武器系統研製的主要技術目標從精確制導轉向目標感知與定位，相信WSN提供的這種新穎的戰場偵察模式會受到軍方的關注。

其他用途

WSN還被套用於一些危險的工業環境如井礦、核電廠等，工作人員可以通過它來實施安全監測。也可以用在交通領域作為車輛監控的有力工具。此外和還可以在工業自動化生產線等諸多領域，英特爾正在對工廠中的一個無線網路進行測試，該網路由40台機器上的210個感測器組成，這樣組成的監控系統將可以大大改善工廠的運作條件。它可以大幅降低檢查設備的成本，同時由於可以提前發現問題，因此將能夠縮短停機時間，提高效率，並延長設備的使用時間。儘管無線感測器技術仍處於初步套用階段，但已經展示出了非凡的套用價值，相信隨著相關技術的發展和推進，一定會得到更大的套用。

案例

WSN套用於智慧型小區火災報警系統

WSN火災報警檢測系統採用星型無線網路系統，系統中只有一個網路協調器和很多個RFD節點，網路協調器設定在管理中心，負責建立網路和管理網路，並顯示當前整個網路的狀況並把收到的數據通過串口傳給計算機。而檢測終端節點分布在監測地點，負責採集相關採集值，然後定期傳送到網路協調器。

關鍵技術

無線通信技術

能量收集技術

感測器技術

嵌入式作業系統技術

低功耗技術

多跳自組織網路的路由協定

數據融合和數據管理技術

信息安全技術

無線感測器延伸

無線感測器網路的嵌入式網關硬體設計

拓撲維護基礎

無線感測器網路拓撲控制由兩部分組成，即拓撲構建和拓撲維護。一旦建立起最初的網路最佳化拓撲，網路開始執行它所指定的任務。由於網路任務所包含的每一個行為如感測、數據處理和傳輸等都需要消耗能量，因此隨著時間的推移，當前的網路拓撲不再處於最優運行狀態，因此需要對其進行維護使其重新保持最優或接近最優狀態。

1.1 拓撲維護定義

無線感測器網路的拓撲控制可以看作一個重複的過程，如圖1 所示。首先，對所有無線感測器網路都有一個拓撲初始化階段。在該階段，每個節點用其最大發射功率發射來建立初始拓撲。在初始化階段後，通過運行不同的算法或協定來對初始拓撲進行最佳化，並最終構建一個最佳化拓撲，該階段稱之為拓撲構建。一旦拓撲構建階段建立起最佳化網路拓撲，拓撲維護階段必須開始工作。

拓撲維護

在拓撲維護階段，實時監測當前拓撲狀態，並在適當的時候觸發拓撲恢復或重構過程。從圖1 中可見，在網路的生命周期內，拓撲維護周期運行，直到網路死亡。對拓撲維護進行定義的文獻很少，文獻[8]對拓撲維護進行了簡單定義，指出“拓撲維護是指當網路當前工作的拓撲結構不是最最佳化的拓撲結構時，及時通過修復、切換或重構新的網路拓撲，使網路達到預先設定的性質，延長網路的生命期”.

該定義沒有指出拓撲維護運行的時間、所採取的維護方式，特別是定義中提到使拓撲達到或接近最優以及達到預先設定的性質，卻沒有指出是哪個具體階段的最優或性質，因為隨著網路的運行，網路的最優狀態和性質也在發生變化。所以，本文對拓撲維護進行了比較嚴謹的定義，即拓撲維護是一個周期性的過程，在每個周期中它由不同的觸發標準(如時間，能量，節點故障等)觸發，通過儘可能多地輪換節點角色或重新運行拓撲構建過程或調用專用維護算法來修復或重構網路拓撲，均衡網路能量消耗，使新的拓撲成為當前最優或接近當前最優狀態，並最終延長網路的生命周期。

1.2 設計目標

拓撲維護和其它感測器網路技術一樣，其主要目的是延長網路的生命周期。此外，感測器網路被構建用來實現某些任務，如執行感測和傳輸感測數據，因此一個或多個服務質量目標如保持感測覆蓋以及保持網路連通等也通常被考慮。

而且，無線感測器網路的套用不同則導致其底層網路的拓撲維護設計目標不同或目標優先次序不同。以下介紹拓撲維護主要考慮的設計目標。

(1)網路生命周期

(2)覆蓋和連通

(3)安全和故障容忍

(4)能量效率和收斂時間

(5)能量均衡和可擴展性

拓撲維護模型

並沒有文獻對拓撲維護模型進行描述。為了更好的理解拓撲維護的運行過程及其特點，本文設計了一個通用的拓撲維護模型，如圖2 所示。從圖中可見，拓撲維護是一個周期的過程，每個周期中從網路的當前拓撲開始，經過拓撲維護過程生成一個最佳化的拓撲，周期運行，直到網路死亡。

拓撲維護

從上圖可見，每個拓撲維護周期，經由觸發器和決策器。

其中觸發器主要根據設計的觸發標準如時間、能量或節點故障等來觸發拓撲維護過程。決策器用來選擇拓撲維護策略。

模型描述：

(1)觸發器

(2)決策器

拓撲維護研究現狀

專門的拓撲維護技術研究還比較少，但相關研究結果表明最佳化的拓撲維護能有效地節省能量並延長網路生命周期，同時保持網路的基本屬性覆蓋或連通。本節中，根據拓撲維護決策器所選維護策略將現有的拓撲維護技術分為基於角色輪換、基於拓撲重構和混合的拓撲維護。

3.1 基於角色輪換的拓撲維護

3.2 基於拓撲重構的拓撲維護

3.3 混合的拓撲維護

展望

能效問題

在無線感測器網路的研究中，能效問題一直是熱點問題。當前的處理器以及無線傳輸裝置依然存在向微型化發展的空間，但在無線網路中需要數量更多的感測器，種類也要求多樣化，將它們進行連結，這樣會導致耗電量的加大。如何提高網路性能，延長其使用壽命，將不準確性誤差控制在最小將是下一步研究的問題。

採集與管理數據

在今後，無線感測器網路接收的數據量將會越來越大，但是當前的使用模式對於數量龐大的數據的管理和使用能力有限。如何進一步加快其時空數據處理和管理的能力，開發出新的模式將是非常有必要的。

無線通訊的標準問題

標準的不統一會給無線感測器網路的發展帶來障礙，在接下來的發展中，要開發出無線通訊標準。